LÜFTUNGSTECHNIK UND BRANDSCHUTZ

Gebäudebelüftung und Brandschutz

Eine vernünftige Gebäudebelüftung sollte schon vor dem Bau geplant werden, da viele Faktoren einen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse im Gebäudeinnern haben. So haben Gebäudeumlüftung, Positionierung von Verdichtern und Ventilatoren eine entscheidende Auswirkung auf den Energieverbrauch des Gebäudes.

Simulation einer Gebäudefassade zur Analyse der Strömungssituation hinter einer Glasfassade

Neben der Reduktion des Energieverbrauchs, kann mit der Strömungssimulation auch die Ausbreitung von Feuer und Rauch innerhalb von Gebäuden und Produktionshallen vorhergesagt werden. Des Weiteren werden physikalische Effekte wie Wärmestrahlung, Temperaturübergang auf Bauteile oder der chemische Verbrennungsprozess innerhalb von Gebäuden und Anlagen in unterschiedlichen Szenarien berücksichtig. Aus diesen Ergebnissen lassen sich dann die optimale Positionierung von Rauchwarnmeldern und Sprinkleranlagen ermitteln und die Sicherheit erheblich erhöhen.

Ventilatoren

Axialventilatoren und Radialgebläse können bezüglich ihrer Schaufelstellung und -anzahl variiert werden und per Strömunssimulation kann der Einfluss dieser Modifikationen auf den Wirkungsgrad ermittelt werden. So lässt sich eine ganze Reihe von Laufrädern durchrechnen und auf ihre Strömungseigenschaften hin untersuchen (z. B. auf Ablösungen im Bereich der Schaufelkanten und ihre Abhängigkeit von Schaufelwinkel und -anzahl oder auf die Ausprägung von Turbulenzbereichen zwischen den Schaufeln und dadurch entstehende Strömungsverluste).

Radialventilator: Optimierung des Wirkungsgrads durch Variation von Flügelzahl und Anstellwinkel

Die beiden unteren Abbildungen zeigen für Laufräder mit unterschiedlichem Schaufelwinkel die turbulente kinetische Energie zwischen den Schaufeln, also die Bewegungsenergie die in kleinen turbulenten Wirbeln steckt. Hier wird besonders der starke Einfluss des Schaufelwinkels sichtbar. Bei steilerem Winkel treten die turbulenten Bereiche im Bereich der Schaufelvorderkante auf, wo hingegen bei  flacherem Winkel sich diese Bereiche unter der Schaufel bzw. im Nachlauf konzentrieren. Gerade der enorme Einfluss des Schaufelwinkels auf den Wirkungsgrad lässt sich ohne CFD nicht in dieser Weise erklären, da es keine Möglichkeiten gibt, mit denen die verschiedenartige Ausbildung der turbulenten Bereiche zwischen den Schaufeln so erkannt werden können.

Simulation eines 11-schaufeligen Laufrads zur Analyse des Einflusses des Schaufelwinkels auf den Wirkungsgrad

Rauchmelder

Nicht nur die Positionierung des Rauchmelders ist entscheidend für seine Funktionsfähigkeit. Häufig spielt auch die geometrische Auslegung des Gerätes eine entscheidende Rolle. Im folgenden Beispiel sieht man deutlich, dass der Rauch sich nicht gleichmäßig im Geräteinnern verteilt und auch nur ein sehr geringer Anteil des Rauchs überhaupt ins Innere gelangt. Dadurch wird die Position des Sensors und dessen Winkel zur Strömungsrichtung ausschlaggebend für die Funktionsfähigkeit, denn je nach Ausrichtung des Melders ist die Funktionstüchtigkeit nicht gewährleistet. Durch Testreihen ließen sich solche Erkenntnisse nur sehr aufwendig erlangen. Die Computersimulation ist hier ein vorteilhaftes Mittel verschiedene Anströmungssituationen kostengünstig, und schnell zu prüfen.

Simulation eines Rauchmelders zur Bestimmung des Rauchverteilung im Inneren

Raumbelüftung in Industriehallen: Thermik und Strahlung in Trocknungsräumen

Hier eine weitere Problematik zum Thema Raumbelüftung: Glühend heiße Stahlstäbe sollen zum Abkühlen in ein Hochregal innerhalb einer Fabrikhalle eingelagert werden. Die auftretende Fragestellung ist die: was passiert mit der Temperatur in dieser Halle? Es wird eine starke Konvektion einsetzen, welche die Wärme an die Hallendecke treibt. Gleichzeitig werden sich aber auch die Stahlstäbe gegenseitig beeinflussen über die von ihnen erzeugte Konvektion und auf Grund ihrer wechselseitigen Strahlung. Die gesamte Wärmewechselwirkung ist überaus kompliziert und mit der auftretenden Strömung stark gekoppelt. Wie ist letztendlich die Temperaturverteilung in der Halle?

Simulation einer Fabrikhalle mit Trocknungsregal: Geschwindigkeit und Temperatur bei 3 bzw. 6 Lagen